Utilizarea și curățarea biogazului; Energia fermei

Introducere

Biogazul generat din procesele de digestie anaerobă este un combustibil regenerabil curat și ecologic. Dar este important să curățați sau să actualizați biogazul înainte de a-l utiliza pentru a-i crește valoarea de încălzire și pentru a-l utiliza în unele aparate pe gaz, cum ar fi motoarele și cazanele.

Utilizarea biogazului

În timp ce majoritatea fermelor mari își folosesc biogazul pentru căldură și energie, merită să luați în considerare toate opțiunile înainte de a decide ce cale să luați, inclusiv vânzarea directă a biogazului către un cumpărător din afara fermei.

Biogazul de gunoi de grajd animal conține 55-65% metan (CH4), 30-45% dioxid de carbon (CO2), urme de hidrogen sulfurat (H2S) și hidrogen (H2) și fracții de vapori de apă. Pentru digestia anaerobă a namolului sau a proceselor de depozitare a deșeurilor, urme de siloxani pot fi găsite și în biogaz. Acești siloxani provin în principal din compuși care conțin siliciu, folosiți pe scară largă în diverse materiale industriale sau adăugați frecvent la produse de consum, cum ar fi detergenți și produse de îngrijire personală. Acest articol nu va aborda curățarea biogazului siloxanilor.

Biogazul este cu aproximativ 20% mai ușor decât aerul și are o temperatură de aprindere cuprinsă între 650 și 750 grade C. (1.200-1.380 grade F.). Este un gaz inodor și incolor care arde cu o flacără albastră limpede similară cu cea a gazului natural. Cu toate acestea, biogazul are o putere calorică de 20-26 MJ/m3 (537-700 Btu/ft3) comparativ cu valoarea calorică comercială a gazelor naturale de 39 MJ/m3 (1.028 Btu/ft3).

Biogazul poate fi utilizat în multe tipuri de echipamente, inclusiv:

Motor cu combustie internă (cu piston) - Generarea de energie electrică, puterea arborelui
Motor cu turbină pe gaz (mare) - Generarea de energie electrică, puterea arborelui
Motor de microturbină (mic) - Generarea de energie electrică
Motor termic Stirling - Generarea de energie electrică
Sisteme de cazane (abur)
Sisteme de apă caldă
Incalzitoare de proces (Cuptoare)
Incalzitoare de spatiu sau aer
Răcitor de răcire cu gaz - Refrigerare
Răcitor de absorbție - refrigerare
Puterea și puterea combinate (CHP) - Scară mare și mică - Puterea electrică și căldura
Celule de combustibil - energie electrică, o anumită căldură

Există o varietate de utilizări finale pentru biogaz. Cu excepția celor mai simple utilizări termice, cum ar fi evazarea mirosurilor sau unele tipuri de încălzire, biogazul trebuie curățat sau procesat înainte de utilizare. Cu o curățare sau o actualizare adecvată, biogazul poate fi utilizat în toate aplicațiile care au fost dezvoltate pentru gaze naturale.

Cele trei utilizări finale de bază pentru biogaz sunt:

producerea de căldură și abur
generarea de energie electrică
combustibilul vehiculului

Producția de căldură sau abur

Cea mai simplă utilizare a biogazului este pentru energie termică (termică). În zonele în care combustibilii sunt puțini, sistemele mici de biogaz pot furniza energie termică pentru gătitul de bază și încălzirea apei. Sistemele de iluminat cu gaz pot utiliza, de asemenea, biogaz pentru iluminare.

Arzătoarele convenționale cu gaz sunt ușor de reglat pentru biogaz prin simpla modificare a raportului aer-gaz. Cererea de calitate a biogazului în arzătoarele pe gaz este scăzută, necesitând doar o presiune a gazului de la 8 la 25 mbar și menținând nivelurile de H2S sub 100 ppm pentru a atinge un punct de rouă de 150 grade C.

Generarea de energie electrică sau căldură și energie combinate (CHP)

Sistemele combinate de căldură și energie utilizează atât capacitatea producătoare de energie a unui combustibil, cât și inevitabila căldură reziduală. Unele sisteme de cogenerare produc în primul rând căldură, iar puterea electrică este secundară (ciclu de fund). Alte sisteme de cogenerare produc în primul rând energie electrică și căldura uzată este utilizată pentru încălzirea apei de proces (ciclul de topping). În ambele cazuri, eficiența generală (combinată) a puterii și căldurii produse și utilizate oferă o eficiență mult mai mare decât utilizarea combustibilului (biogaz) pentru a produce numai energie sau căldură.

În afară de investițiile inițiale mari, turbinele cu gaz (microturbine, 25-100 kW; turbine mari,> 100 kW) cu eficiență comparabilă cu motoarele cu aprindere prin scânteie și cu întreținere redusă pot fi utilizate atât pentru producerea de energie termică, cât și de energie. Cu toate acestea, motoarele cu ardere internă sunt utilizate cel mai mult în aplicații de cogenerare. Utilizarea biogazului în aceste sisteme necesită îndepărtarea atât a H2S (sub 100 ppm), cât și a vaporilor de apă.

Celulele de combustibil sunt considerate centralele electrice la scară mică ale viitorului pentru producerea de energie electrică și căldură cu eficiență care depășește 60% și emisii reduse. Una dintre cele mai mari unități de digestie/pilă de combustibil este situată în statul Washington. Celula de combustibil, situată la stația de tratare South din Renton, WA, poate consuma aproximativ 154.000 ft 3 de biogaz pe zi pentru a produce până la 1 megawatt (1.000.000 watt) de electricitate. Acest lucru este suficient pentru a alimenta 1.000 de gospodării, dar este folosit în schimb pentru funcționarea centralei.

Combustibilul vehiculului

Vehiculele pe benzină pot utiliza biogazul ca combustibil, cu condiția ca biogazul să fie actualizat la calitatea gazului natural în vehiculele care au fost adaptate la utilizarea gazului natural. Majoritatea vehiculelor din această categorie au fost retro-echipate cu un rezervor de gaz și un sistem de alimentare cu gaz, pe lângă sistemul normal de alimentare cu benzină. Cu toate acestea, vehiculele dedicate (care utilizează numai biogaz) sunt mai eficiente decât aceste retro-ajustări.

Curățarea sau actualizarea biogazului

Curățarea biogazului este importantă din două motive: (1) pentru a crește valoarea de încălzire a biogazului și (2) pentru a îndeplini cerințele pentru unele aparate pe gaz (motoare, cazane, pile de combustibil, vehicule etc.). Scopurile dorite de curățare sau modernizare a biogazului sunt rezumate în Figura 1. „Tratamentul complet” implică faptul că biogazul este curățat de CO2, vapori de apă și alte gaze urme, în timp ce „reformarea” este conversia metanului în hidrogen.

Eliminarea CO2

Pentru multe dintre aplicațiile mai simple de biogaz, cum ar fi încălzitoarele sau motoarele cu ardere internă sau sistemele de generare, eliminarea dioxidului de carbon (CO2) din biogaz nu este necesară, iar CO2 trece pur și simplu prin arzător sau motor. Pentru aplicații mai exigente de biogaz/motor, cum ar fi vehiculele care necesită combustibili cu densitate mai mare de energie, CO2 este eliminat în mod obișnuit. Îndepărtarea CO2 mărește valoarea de încălzire și duce la o calitate a gazului consecventă similară gazului natural. Dioxidul de carbon poate fi eliminat din biogaz economic prin absorbție sau adsorbție. Membranele și separările criogenice sunt alte procese posibile.